[发明专利]一种谐波抑制超表面能量收集器

说明书

本发明涉及一种谐波抑制超表面能量收集器，其特征在于，包括：由上向下依次设置的超表面单元层、接地层以及射频输出层；所述超表面单元层上呈周期性排列有若干超表面单元；各所述超表面单元结构相同，均包括一介质基板以及设置在所述介质基板上的金属层，所述金属层上刻蚀有用于实现入射波吸收的伞勾型槽结构和用于实现谐波抑制的L型槽结构；各所述伞勾型槽结构内部设置有一贯穿所述超表面单元层的垂直导电通孔，各所述超表面单元通过各所述导电通孔经所述接地层后与所述射频输出层上设置的馈电网络相连，将收集到的射频能量传递到所述馈电网络进行射频合成，使得所有能量汇聚到一处导出。本发明可以广泛应用于整流天线设计领域。

技术领域

本发明涉及一种谐波抑制超表面能量收集器，属于微波传能接收整流天线领域。

背景技术

在微波无线传能系统(MPT)中，整流天线作为将微波能量转化到直流的关键器件，同时也是决定MPT系统RF-DC能量转换效率的重要因素。整流天线由接收天线和整流电路组成，整流电路中的二极管等非线性元件产生的高阶谐波会被接收天线二次辐射，这样会降低整流天线的效率，进而严重影响系统的传输效率，同时会造成系统间的电磁干扰。所以整流天线谐波抑制技术应着重解决。另一方面，传统整流天线阵列为了避免单元间的破坏性耦合，需要相距半波长，不但占地面积大，效率也较低。

在传统整流天线中，谐波抑制有两种主要的解决方案：第一是通过整流电路中的低通滤波器实现，整流电路前端采用低通滤波器用于滤除输出直流电压的交流成分，但是低通滤波器的设计通常需要采用并联大电容的结构，这类电容不仅具有较大的体型，而且带来的寄生参数在电路设计过程中也需要进一步解决，同时还要考虑与整流天线的匹配问题，整个接收系统集成度低，成本高，结构复杂；第二是设计具有谐波抑制功能的天线，通过在单个整流天线的馈电结构处使用开放式并联开路短截线来抑制谐波，可以将谐波处的发射系数抑制到-2dB以上。从原理上去除低通滤波器带来的插入损耗和天线的性能影响；然而，整流天线的馈电结构处使用开放式并联开路短截线来抑制谐波，对于单个或者小型化的布阵是有效的，当大规模布阵采用射频合成时，由于馈线上的枝节额外占用了空间，会影响馈电网络的设计，给天线阵的设计增加了额外的困难。此外，采用传统贴片天线阵作为接收天线，天线阵列为了避免单元间的破坏性耦合，需要相距半波长，不但占地面积大，效率也较低，用超表面替代传统整流天线是使接收系统小型化、高效率的有效方案。目前针对于能量收集的超表面多集中于高效率捕获、多极化、宽入射角等方面，在已公开文献中暂未见有方案提出如何在超表面上解决接收系统的谐波抑制问题。

在高效率的超表面上集成谐波抑制结构是可以有效减小系统的复杂度、降低成本并提高接收系统整体效率的方案。首先，超表面由间距紧密的电小尺寸单元组成，不仅占地面积远远小于传统的整流天线阵，而且接收效率可以进一步提升，可以达到95％以上的能量收集效率。另外，将谐波抑制的结构直接集成在超表面上，不仅省去了后续整流电路中低通滤波器的设计，而且相较于传统整流天线附加枝节的方案更进一步增大了集成度，为后续的大规模布阵打下基础。同时，谐波抑制结构的增加仅需要超表面上刻蚀图案改变，不会增加任何额外成本，将系统成本降到了最小。将滤波结构直接集成到超表面上是实现接收系统高效率、高集成度、小型化、低成本的有效技术。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种谐波抑制超表面能量收集器，在不增加额外成本的情况下实现了谐波抑制，整个设计集成度高、成本低、小型化。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种谐波抑制超表面能量收集器，其包括：由上向下依次设置的超表面单元层、接地层以及射频输出层；

所述超表面单元层上呈周期性排列有若干超表面单元；

各所述超表面单元结构相同，均包括一介质基板以及设置在所述介质基板上的金属层，所述金属层上刻蚀有用于实现入射波吸收的伞勾型槽结构和用于实现谐波抑制的L型槽结构；